高拱壩強(qiáng)約束區(qū)固灌抬動致裂問題研究

黃達(dá)海，陳彥玉

（北京航空航天大學(xué)土木工程系，北京 100191）

高拱壩強(qiáng)約束區(qū)固灌抬動致裂問題研究

黃達(dá)海，陳彥玉

（北京航空航天大學(xué)土木工程系，北京 100191）

針對某高拱壩固結(jié)灌漿過程中發(fā)生的抬動及抬動裂縫現(xiàn)象，分析了壩體產(chǎn)生抬動裂縫的原因，采用考慮彈性約束的壩體抬動有限元仿真分析方法，反演基巖對壩體的彈性約束系數(shù)，并對灌漿壓力和壩體混凝土蓋重進(jìn)行敏感性分析。仿真結(jié)果表明，過大的灌漿壓力容易導(dǎo)致壩體抬動及抬動裂縫，而增加蓋重對減小抬動及抬動引起的壩體應(yīng)力效果顯著。

固結(jié)灌漿；抬動裂縫；彈性約束；蓋重

1 工程背景

某水電站位于四川省雷波縣與云南永善縣接壤的金沙江峽谷中，攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高285.50 m，庫容126.7億m3，正常蓄水位600m，電站總裝機(jī)12 600 MW。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)條件等巨大的綜合效益。

1.1 工程地質(zhì)情況

壩址區(qū)河床基巖由二疊系峨眉山玄武巖（P2β）組成，系間歇性多期噴溢的陸相基性火山巖流，壩區(qū)總厚度490～520 m，可分為14個(gè)巖流層，同一巖流層厚度相對穩(wěn)定，起伏差一般小于5 m。

巖流層整體產(chǎn)狀平緩，順河方向上，底層產(chǎn)狀呈“陡-緩-陡”的平緩褶曲，壩址位于峽谷中部產(chǎn)狀平緩段。該段兩岸走向變化較大，左岸總體為N20°～40°W／NE∠4～7°，右岸N15°～30°E／SE∠3°～5°，構(gòu)造破壞較弱，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層。層間錯(cuò)動帶總體產(chǎn)狀與巖流層近于一致，錯(cuò)動帶局部產(chǎn)狀變化較大，呈平緩波狀起伏，層內(nèi)錯(cuò)動帶傾角平緩穩(wěn)定，走向變化較大，帶內(nèi)物質(zhì)大多為較堅(jiān)硬的玄武巖角礫、碎塊，極少含泥；壩區(qū)玄武巖裂隙較發(fā)育，但都較短小，走向較分散，連通性差，具有一定區(qū)段性，壩區(qū)巖體具有典型的裂隙式和夾層式風(fēng)化的特征。

1.2 壩基固結(jié)灌漿

為了提高壩基的均勻性和整體性，增強(qiáng)基礎(chǔ)的承載能力和防滲效果，對壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。固結(jié)灌漿根據(jù)地質(zhì)條件，分別采用“自上而下分段灌漿法”和“自下而上分段灌漿法”進(jìn)行灌漿，淺孔及引管灌漿采用純壓式灌漿，深孔采用循環(huán)式灌漿。灌漿施工分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序。當(dāng)采用有蓋重灌漿時(shí)，蓋重混凝土厚度一般不小于7.5 m，有蓋重灌漿的鉆孔和灌漿在相應(yīng)部位混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行。

盡管采取了一系列控制抬動的措施，灌漿施工結(jié)束后，15＃和16＃壩段均產(chǎn)生裂縫，其中15＃裂縫尤為嚴(yán)重，裂縫長達(dá)14.11 m，縫寬0.15 mm，裂縫右端已到15＃橫縫，與15＃橫縫大約成60°夾角，孔內(nèi)全景圖像及對穿聲波檢測結(jié)果認(rèn)定為貫穿性裂縫，裂縫的分布情況如圖1所示。

2 抬動裂縫原因分析

針對15＃和16＃壩段灌漿過程中發(fā)生的抬動及抬動裂縫的現(xiàn)象，目前認(rèn)為導(dǎo)致壩體抬動裂縫的原因主要有以下3方面。

2.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件是抬動發(fā)生的根本原因，壩體所在處基巖產(chǎn)狀平緩、裂隙較發(fā)育且貫穿性好，在基巖易內(nèi)形成貫穿的均布灌漿壓力，抬動現(xiàn)象極易發(fā)生。由于基巖對壩體混凝土有一定的約束，壩體并不是直接被灌漿壓力抬起，而是由于基巖被抬動，帶動了壩體。

2.2 灌漿壓力和注入率

灌漿壓力和注入率應(yīng)根據(jù)基巖的裂隙及爆破松動情況、壩基受力情況綜合確定。為了保證灌漿的質(zhì)量，通常采用較大的灌漿壓力和注入率，壓力較高時(shí)，能使?jié){液更好地壓入巖層中的較小裂隙和空間，充填密實(shí)，還可獲得較大的擴(kuò)散范圍，便于漿液的凝結(jié)密實(shí)，提高基巖的強(qiáng)度，增強(qiáng)防滲性能和穩(wěn)固性能；但是，如果灌漿壓力過大，會使基巖內(nèi)的裂隙擴(kuò)張，使壩體發(fā)生抬動變形。注入率較大時(shí)，有利于漿液的擴(kuò)散，即使灌漿壓力很小，但注入率過大，又會使?jié){液來不及擴(kuò)散，產(chǎn)生擴(kuò)張壓力，這也是抬動變形的重要因素。灌漿壓力和注入率合適的組合是防止抬動產(chǎn)生的有效措施。

2.3 壩體混凝土蓋重

固結(jié)灌漿應(yīng)該在有蓋重情況下進(jìn)行，對于中、低壩地基條件較好，或者中、高壩經(jīng)過灌漿試驗(yàn)論證后，固結(jié)灌漿部分可在無混凝土蓋重的情況下進(jìn)行。灌漿大部分采用的是有蓋重灌漿，但是由于工期的要求，也有的工程采用了無蓋重灌漿，以往工程中發(fā)生抬動的原因之一是壩體蓋重太輕，不足以抵抗灌漿壓力。灌漿之前，應(yīng)結(jié)合壩體的蓋重，確定合適的灌漿壓力，既保證灌漿的效果，又能將抬動控制在允許的范圍內(nèi)。

圖1 15＃與16＃壩段裂縫及橫縫測縫計(jì)位置示意圖（單位：m）Fig.1 Location of cracks and transverse joint meters in No.15 and No.16 dam sections

3 考慮彈性約束的壩體抬動有限元仿真分析

3.1 基本計(jì)算原理

由于灌漿過程中，施工灌孔所處發(fā)生的抬動，這種抬動會造成施灌區(qū)域附近部分出現(xiàn)大面積整體抬動變形，若將壩體的邊界簡化成簡支或固定邊界，會與實(shí)際邊界條件產(chǎn)生較大差異；為了反映灌漿過程中壩體的抬動以及基巖對壩體的約束，將壩體的邊界條件簡化為彈性約束，將灌漿壓力等效施加在壩體底部，在灌漿壓力作用下，通過實(shí)測的抬動和橫縫的開裂，反演基巖彈性約束系數(shù)ks。為了反映灌漿過程中的橫縫開度，以15＃壩段（壩高10.5 m）和16＃壩段（壩高6.0 m）為研究對象，兩段壩體之間橫縫用三維接縫單元連接，單元厚度0.1 m，如圖2所示。

圖2 15＃與16＃壩段及壩體-基巖彈性約束計(jì)算模型示意圖（單位：m）Fig.2 Diagram of No.15 and No.16 dam sections and elastic constraint calculation model between dambody and bedrock（unit in m）

計(jì)算采用ANSYS10.0，壩體采用六面體單元SOLID65，彈性約束采用二維彈簧單元COMBIN14模擬，有限元計(jì)算模型如圖3所示；計(jì)算采用的參數(shù)如表1。

表1 壩體混凝土材料參數(shù)Table1 M aterial parameters of the dam concrete

圖3 15＃與16＃壩段三維有限元計(jì)算模型Fig.3 FEM m esh of the No.15 and No.16 dam section model

3.2 計(jì)算成果

3.2.1 彈性約束系數(shù)ks的確定

考慮到基巖對混凝土的強(qiáng)約束作用，初次計(jì)算取ks＝1×106kN／m，可以得到此約束系數(shù)下壩體抬動；通過改變ks，可以得到彈性約束系數(shù)ks與抬動u關(guān)系曲線，如圖4所示。

對圖4中曲線進(jìn)行擬合，彈性約束系數(shù)和抬動關(guān)系符合

其中：ks為彈性約束系數(shù)（106kN／m）；u為抬動（mm）。

圖4 灌漿壓力3.5 MPa，彈性約束系數(shù)與抬動值關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the elastic coefficient and the vertical disp lacement

相關(guān)系數(shù)為R2＝1，彈性約束系數(shù)與抬動關(guān)系高度相關(guān)。

固結(jié)灌漿壓力最大壓力達(dá)到3.5 MPa時(shí)，15＃壩段抬動監(jiān)測儀實(shí)測值為2.01 mm，代入式（1），得到地基的彈性約束系數(shù)ks為6.9×106kN／m，采用反演得到的彈性約束系數(shù)ks重新計(jì)算，得到的抬動值為2.0 mm，誤差為0.2%，可見反演結(jié)果得到的彈性約束系數(shù)是可靠的。

為反映灌漿過程中橫縫開度，在15＃和16＃壩段橫縫之間、上下游方向（高程328.7 m）埋設(shè)3支橫縫測縫計(jì)，其位置如圖1所示，橫縫開度實(shí)測值如圖5所示。從橫縫測縫計(jì)實(shí)測值可以看出：灌漿過程中，橫縫逐漸張開，達(dá)到最大灌漿壓力3.5 MPa后，橫縫開度基本穩(wěn)定，3支測縫計(jì)J15-1，J15-2，J15-3的實(shí)測值分別為0.61，0.20，0.42 mm。由于在橫縫是壩體之間連接的薄弱處，反演得到的約束系數(shù)對于橫縫處來說，過度地約束了橫縫的變形，使其在灌漿過程中呈閉合的趨勢，與實(shí)測值不符。為此，適當(dāng)放松基巖與橫縫之間的彈性約束，將約束系數(shù)調(diào)整為0.5×106kN／m。再次計(jì)算表明，橫縫開度和抬動理論值與實(shí)測值基本一致。

采用真實(shí)的彈性約束系數(shù)重新計(jì)算灌漿壓力3.5 MPa下，抬動及抬動引起的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 15＃與16＃壩段橫縫開度實(shí)測曲線Fig.5 Themeasured curve of transverse joint between the No.15 and No.16 dam sections

圖6 灌漿壓力3.5 MPa，15＃與16＃壩段抬動云圖（單位：m）Fig.6 Cloud chart of the vertical disp lacements of No.15 and No.16 dam sections under the grouting pressure 3.5 MPa（unit in m）

圖7 灌漿壓力3.5 MPa，15＃與16＃壩段上下游方向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.7 Cloud chart of the normal stresses in the upstream and downstream directions of No.15 and No.16 dam sections under the grouting pressure 3.5 MPa（unit in MPa）

從圖6、圖7可以看出，在灌漿壓力3.5 MPa下，壩體的抬動基本在2 mm左右，橫縫處抬動值較大，達(dá)到4 mm，主要是接縫單元彈性模量小，是薄弱部位。從上下游方向正應(yīng)力云圖中可以看出，15＃壩段和16＃壩段抬動引起的最大拉應(yīng)力分別為0.69，0.92 MPa，均發(fā)生在壩體表面附近，對于早齡期抗拉強(qiáng)度較低的混凝土來說，很容易導(dǎo)致壩體混凝土開裂。因此，基巖固結(jié)灌漿，除了考慮合適的灌漿壓力，還應(yīng)在混凝土達(dá)到一定抗拉強(qiáng)度后，再進(jìn)行灌漿。此外，兩個(gè)壩段不同的拉應(yīng)力表明，蓋重較低情況下，抬動引起的拉應(yīng)力更大。

3.2.2 不同灌漿壓力下壩體抬動及上下游方向最大正應(yīng)力

為了反映不同灌漿壓力下，抬動的變化以及由灌漿產(chǎn)生的應(yīng)力，計(jì)算了15＃壩段在4種不同灌漿壓力下的抬動和上下游方向最大正應(yīng)力，如圖8所示。隨著灌漿壓力的增加，抬動和相應(yīng)的最大的正應(yīng)力均有增加，最大灌漿壓力3.5 MPa時(shí)，抬動達(dá)2 mm，最大正應(yīng)力達(dá)0.69 MPa，如果疊加溫度應(yīng)力，極易引起壩體混凝土開裂。在灌漿過程中，應(yīng)根據(jù)抬動的控制范圍，選擇合適的灌漿壓力，以減小抬動引起的拉應(yīng)力。

圖8 15＃壩段不同灌漿壓力下的抬動及最大正應(yīng)力Fig.8 The vertical displacement and themaximum normal stress of No.15 dam section under different grouting pressures

3.2.3 不同蓋重下壩體抬動及上下游方向最大正應(yīng)力

固結(jié)灌漿一般在有蓋重的情況下進(jìn)行的，利用壩體的自重，可以有效地抵抗灌漿壓力產(chǎn)生的抬動。為了衡量壩體自重對減少抬動的效果，計(jì)算了不同蓋重情況下，抬動以及上下游方向最大正應(yīng)力隨蓋重變化的情況。作為特例，計(jì)算采用最大灌漿壓力3.5 MPa，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，隨著蓋重的增加，抬動和壩體最大拉應(yīng)力均有不同程度的減小，尤其是對于降低最大正應(yīng)力效果尤為明顯，蓋重增加到6 m，最大拉應(yīng)力為0.98 MPa，對于齡期超過21 d的混凝土來說，是可以承受的；而蓋重為3 m時(shí)，最大拉應(yīng)力達(dá)1.73 MPa，混凝土很難承受；蓋重從3 m增加到12 m時(shí)，最大正應(yīng)力從1.73 MPa減小到0.67 MPa，降幅達(dá)61%。在灌漿過程中，在允許的抬動范圍內(nèi)和合理的蓋重下進(jìn)行灌漿，對于防止由于灌漿引起的開裂效果顯著。

圖9 灌漿壓力3.5 MPa，15＃壩段不同蓋重下的抬動及最大正應(yīng)力Fig.9 The vertical displacement and themaximum normal stress of No.15 dam section under different coverage depths

4 結(jié)論及建議

（1）地質(zhì)條件決定了基礎(chǔ)上抬動壓力分布方式，決定了竄漿路徑。在灌漿開始之前，應(yīng)有地質(zhì)素描資料支持，不同部位采用不同灌漿壓力。

（2）要慎用“無蓋重灌漿技術(shù)”，尤其是地質(zhì)缺陷比較明顯的壩基。固結(jié)灌漿一般情況下應(yīng)在有蓋重的情況下進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果表明，增加蓋重對于減小灌漿引起的抬動和拉應(yīng)力效果十分顯著；對于無蓋重的情況，應(yīng)選擇合適的灌漿壓力，防止過大的抬動以及抬動裂縫。

（3）目前的橫縫開度監(jiān)測周期與灌漿壓力變化時(shí)間不匹配，導(dǎo)致開度監(jiān)測數(shù)據(jù)不能為“灌漿壓力調(diào)整決策”提供支持，有必要發(fā)展“拱壩橫縫開度在線監(jiān)測”技術(shù)。

（4）應(yīng)進(jìn)一步開展以橫縫開度換算壩基抬動的科研，讓灌漿行為對壩基混凝土的影響，盡量處于掌握之中。

（5）目前對抬動控制值還沒有界定，而現(xiàn)場觀測儀器受外界干擾較大，往往實(shí)測值也不一定能真實(shí)反映灌漿過程中的抬動，施工方往往一味追求灌漿效果，盲目加大灌漿壓力，對于壩體防裂來說是非常不利的。本文提出的考慮彈性約束的壩體抬動有限元仿真分析方法，能反映灌漿過程中抬動以及應(yīng)力變化情況，可以及時(shí)反饋給施工方，及時(shí)調(diào)整灌漿壓力和注入率，為施工灌漿提供參考。

［1］ 莫時(shí)旭，鐘新谷，趙人達(dá).剛性基底上彈性約束矩形板的屈曲行為分析［J］.工程力學(xué)，2005，22（2）：174-178.（MO Shi-xu，ZHONG Xin-gu，ZHAO Ren-da.Buckling behavior of elastically constrained rectangular plate on rigid base［J］.Engineering Mechanics，2005，22（2）：174-178.（in Chinese））

［2］ 李代相，黃 猛.在基礎(chǔ)灌漿施工中對地層抬動的控制［J］.水電站設(shè)計(jì)，2008，24（1）：82-86.（LI Daixiang，HUANG Meng.Lifting control of the strata during the foundation grouting［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2008，24（1）：82-86.（in Chinese））

［3］ DL／T 5346-2006，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.（DL／T 5346-2006，Design specification for concrete arch dams［S］.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Study on Lifting Fracture in Strong Constrained Area of High Arch Dam by Consolidation Grouting

HUANG Da-hai，CHEN Yan-yu
（Department of Civil Engineering，Beihang Univ.，Beijing 100191，China）

Lifting and relevant concrete fracture often appear in the process of consolidation grouting of high arch dam，the reasons to lead to dam fracture were analyzed.A three-dimensional finite element simulation method，considering the elastic constraintbetween dam body and bedrock，was applied to inverse bedrock on the elastic constraint coefficient，and the sensitivity of grouting pressure and concrete coverage thicknesswere also analyzed.The results show excessive grouting pressure easily leads to the lifting and relevant fracture，while the coverage thickness can reduce the lifting and the corresponding normal stress effectively.

consolidation grouting；lifting fracture；elastic constraint；coverage depth

TV543

A

1001-5485（2010）08-0061-05

2009-11-16；

2009-12-16

黃達(dá)海（1964-），男，湖北洪湖人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事大體積混凝土施工過程仿真與溫度控制的研究，（電話）13911528211（電子信箱）huangdh＠tsinghua.edu.cn。

陳彥玉（1984-），男，北京人，碩士，主要從事準(zhǔn)大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)方面的研究，（電話）13426017731（電子信箱）chenyanyu0140＠163.com。